초실감 디스플레이 핵심 소재 ‘페로브스카이트’ 제어 기술 개발

켄텍·한양대 공동연구팀, 발광 효율·안정성 동시 확보 ‘박막’ 구현
나노결정 형성되는 ‘초기 핵 생성단계’부터 결정 방향성·구조 유도
‘발광효율 저하·수명 단축’ 한계 깨고 차세대 디스플레이 기술 확보

한국에너지공과대학교 이승진 교수(왼쪽)와 정진주 대학원생. 켄텍 제공

한국에너지공과대학교(켄텍) 에너지공학부 이승진 교수 연구팀이 초실감 디스플레이 핵심 소재로 꼽히는 ‘페로브스카이트 발광다이오드’(PeLED)의 성능과 안정성을 동시에 높일 수 있는 박막 제어 기술을 개발했다.

연구팀은 박막이 만들어지는 초기 단계의 시드(seed) 구조체를 정밀하게 조절, 일정한 방향으로 정렬된 3차원 나노결정 페로브스카이트 박막을 구현하는데 성공했다.

페로브스카이트는 매우 선명하고 정확한 색을 구현할 수 있어 차세대 디스플레이의 핵심 소재로 주목받고 있다. 특히 초고해상도 TV를 비롯해 증강현실(AR), 가상현실(VR), 확장현실(XR) 기기처럼 더 넓은 색 표현력과 높은 밝기가 필요한 초실감 디스플레이 분야에서 활용 가능성이 큰 소재로 평가된다. 최근에는 초실감 디스플레이가 국가전략 산업으로 주목받으면서, 관련 핵심 소재 기술의 중요성도 더욱 커지고 있다.

하지만 페로브스카이트는 실제 소자 제작 과정에서 원하는 결정 구조를 균일하게 형성하기가 쉽지 않다는 문제점을 지니고 있었다. 용액 공정 중 결정이 빠르게 성장하면서 결정의 크기와 배열이 불규칙해지고, 의도하지 않은 상(phase)이나 결함 구조가 함께 형성되기 때문이다.

이러한 비균일성은 발광 효율 저하와 수명 단축으로 이어져 소자 성능을 제한하는 핵심 요인으로 꼽혀왔다. 이에 따라 결정 성장 초기 단계를 정밀하게 제어하는 기술은 페로브스카이트 기반 디스플레이를 상용화하는데 핵심 과제로 주목받아 왔다.

연구팀은 이같은 한계를 극복하기 위해 결정이 모두 성장한 이후가 아니라, 나노결정이 처음 형성되는 초기 ‘핵 생성 단계’에 주목했다.

박막 성장의 출발점이 되는 시드 구조체와 전구체의 화학적 환경을 정밀하게 제어함으로써 의도하지 않은 구조의 형성을 억제하고, 상 안정성을 확보할 수 있는 고순도의 3차원 나노결정이 일정한 방향성을 가지고 자라도록 유도한 것이다. 페로브스카이트가 성장하기 시작하는 순간부터 결정의 방향성과 구조를 올바르게 유도함으로써 종전보다 균일하고 안정적인 박막 구현에 성공한 것이다.

연구 결과, 이렇게 제조된 박막은 광발광 양자효율이 크게 향상된 것은 물론 섭씨 100도에서도 구조적·광학적 특성을 유지하는 등 높은 안정성을 보였다.

이러한 박막을 기반으로 제작된 페로브스카이트 발광다이오드는 최대 외부양자효율(EQE) 22.1%를 달성했으며, 1만cd m-2의 고휘도 조건에서도 20% 이상의 EQE를 유지해 고휘도 구간에서 일반적으로 나타나는 효율 저하를 효과적으로 억제하는 성능을 확인했다.

제1저자인 정진주 켄텍 대학원생은 “루이스 산-염기 상호작용을 활용한 표면 리간드 전략을 통해 원치 않는 구조 형성을 억제하고, 더 작고 균일한 3차원 나노결정이 정렬되어 성장하도록 유도함으로써 상 순도가 높은 3D 나노결정 박막을 형성할 수 있었다”고 설명했다.

이승진 켄텍 교수는 “이번 연구는 박막 형성의 출발점인 초기 결정 성장 단계에서부터 시드 구조를 설계, 원하는 결정 특성을 갖는 페로브스카이트 박막을 구현했다는 점에서 큰 의미가 있다”고 밝혔다.

연구팀은 이번 성과가 향후 고효율·고안정성 페로브스카이트 발광소자 개발은 물론, 차세대 디스플레이 및 다양한 페로브스카이트 기반 광전자 소자의 상용화 연구에도 중요한 설계 원리를 제시할 것으로 기대하고 있다.

이 연구는 한양대학교 이태경 교수 연구팀과 공동연구로 수행됐으며, 연구 성과는 국제학술지 Nano Energy(논문명: Control over seed framework enables oriented 3D nanocrystalline perovskite films for light-emitting diodes)에 게재됐다.

광주 홍행기 기자

세줄 요약

• 초실감 디스플레이용 페로브스카이트 박막 제어 기술 개발
• 초기 시드 구조 정밀 조절로 3차원 나노결정 정렬 구현
• 효율·안정성 동시 향상, 고휘도에서도 성능 유지